Physique de la mesure
dans le domaine
optique

Olivier Hagolle
Centre d’Etudes Spatiales de la Biosphère (CESBIO)
http://c...
Objectifs
•

Objectifs du cours :
• Connaissances de base pour comprendre :
• Les grandeurs observées par satellite optiqu...
Introduction
Signatures Spectrales : METEOSAT

Vapeur d’eau
5.7-7.1 µm

Visible
0.4-1.1 µm

Infra-rouge : 10.5-12.5 µm
Signatures Spectrales: SPOT
B1 ~green

Composition colorée:
Bleu = B1
Vert = B2
Rouge = B3

B2 ~red

B3 ~near IR
Signatures Directionnelles

Dans quelle montgolfière était le photographe ?
Effets Atmosphériques
Radiométrie
Propagation des ondes

Electric field

c : vitesse de la lumière dans le vide; c = 300 000 km/s

v : vitesse de la lumière...
Spectre Electromagnétique

Rayons X

UV

Visible

Rayons

Rayons
Cosmiques

10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1

...
Définitions Photométriques
Du détecteur



aux propriétés de la surface

• Les détecteurs sont sensibles à :
–
–
–
–

L’é...
Définitions Photométriques
• Eclairement (Irradiance): flux /par unité de surface
E

=

dF

in W.m-2.µm-1.

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Eclairement solaire spectral
Définitions Photométriques
Angle Solide :
– Angle en 3D
– Unité : steradian (sr)
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Définitions Photométriques
• Luminance (Radiance): Eclairement par unité d’angle solide
• Flux par unité de surface et par...
Luminance équivalente dans une
bande spectrale
• Soit S( ), la sensibilité spectrale d’une bande spectrale
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Définitions Photométriques
Etendue géométrique
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Bandes spectrales
Sensibilité d’un instrument
Calculer l’étendue géométrique de l’instrument :
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Détecteur carré...
Sensibilité d’un instrument
• instrument à barrette de CCD
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Sensibilité d’un instrument
• instrument à barrette de CCD
G=

S r cos θ .S optics .cos θ
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Encore des définitions…
• La luminance est très utilisée car
• Proportionnelle à l’énergie mesurée par le détecteur
• Ne d...
Radiométrie
Domaine réflectif solaire
Réflectance
• La luminance n’est pas une propriété de la surface
– La grandeur recherchée est la proportion de lumière
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Réflectance équivalente
• On définit la réflectance équivalente par
ρ equiv =

L equiv
E equiv

cos θs

• En utilisant :
2...
Radiométrie
Infrarouge thermique
Rayonnement Réflechi et Rayonnement Thermique
Emission thermique
Tous les matériaux émettent de la lumière.
La luminance émise est souvent proche
de celle du corps noir...
Emission thermique d’un corps noir
• Loi de Rayleigh-Jeans
• Explication électromagnétique de l’émission
• Contredit par m...
Emission thermique d’un corps noir

Loi de Planck
h = 6.62 10-34

Lp

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Radiance (W m-2 sr-1 µm-1)

k = 1.38 10-23
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Conservation de la lumière
• La lumière parvenant sur une surface est soit
• Réfléchie
• Absorbée
• Transmise

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Loi de Kirchhoff
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Corps gris :

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Pour un corps gris lambertien opaque à l’équilibre thermodynamique
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Applications dans le thermique
• La mer est assez proche d’un corps noir
– La température de surface de la mer peut
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Applications dans le thermique

Emission thermique

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Physique de la mesure en télédétection optique, Partie 1 : photométrie et radiométrie

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Cours donné en Master 2 SIA à l'université Paul Sabatier, Durée 1h30.

Version 2012-2013.

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Physique de la mesure en télédétection optique, Partie 1 : photométrie et radiométrie

  1. 1. Physique de la mesure dans le domaine optique Olivier Hagolle Centre d’Etudes Spatiales de la Biosphère (CESBIO) http://cesbio.ups-tlse.fr
  2. 2. Objectifs • Objectifs du cours : • Connaissances de base pour comprendre : • Les grandeurs observées par satellite optique • La qualité du signal observé • Les modes d’observation et leurs intérêts comparés • Les traitements nécessaires • Les produits • Plan: • Introduction • Radiométrie • Atmosphère • Signatures spectrales et directionnelles • • • surfaces terrestres Océan Corrections atmosphériques
  3. 3. Introduction
  4. 4. Signatures Spectrales : METEOSAT Vapeur d’eau 5.7-7.1 µm Visible 0.4-1.1 µm Infra-rouge : 10.5-12.5 µm
  5. 5. Signatures Spectrales: SPOT B1 ~green Composition colorée: Bleu = B1 Vert = B2 Rouge = B3 B2 ~red B3 ~near IR
  6. 6. Signatures Directionnelles Dans quelle montgolfière était le photographe ?
  7. 7. Effets Atmosphériques
  8. 8. Radiométrie
  9. 9. Propagation des ondes Electric field c : vitesse de la lumière dans le vide; c = 300 000 km/s v : vitesse de la lumière dans une matière longueur d’onde) Fréquence : f = c / • En Imagerie spatiale, c’est la longueur d’onde qui est utilisée • Pour le sondage atmosphérique, c’est plutôt la fréquence Indice de réfraction n( =c/v (1. dans l’air, 1.33 dans l’eau)
  10. 10. Spectre Electromagnétique Rayons X UV Visible Rayons Rayons Cosmiques 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 Infrarouge 1 10 Ondes courtes MO GO 102 103 104 105 106 107 108 109 wavelength m OPTIQUE 0,40 µm : violet 0,45 µm : bleu 0,50 µm : vert 0,55 µm : jaune 0,60 µm : orange 0,65 µm : rouge Microondes Radar Ondes Radio
  11. 11. Définitions Photométriques Du détecteur  aux propriétés de la surface • Les détecteurs sont sensibles à : – – – – L’énergie transportée par la lumière, Q Q s’exprime en joules(j) Pour un certain domaine de longueurs d’onde. Pendant un temps d’intégration, ti (temps d’exposition) – ti est souvent très court (1 ms) • F est le « flux » , exprimé en watts (W) F dQ dt Q ti – Mais F dépend de la surface du détecteur dS
  12. 12. Définitions Photométriques • Eclairement (Irradiance): flux /par unité de surface E = dF in W.m-2.µm-1. dS • Eclairement Solaire : dS – Soleil au zénith, au sommet de l’atmosphère » ~ 1367 W.m-2 intégré sur tout le spectre – Soleil au zénith, à la surface, atmosphère claire » ~ 900 W.m-2 intégré sur tout le spectre dS L’éclairement est souvent utilisé pour caractériser des sources • • Ponctuelles (le soleil) Hémisphériques (le ciel) L’éclairement parvient au détecteur sous un certain champ de vue ==> il dépend donc du champ de vue
  13. 13. Eclairement solaire spectral
  14. 14. Définitions Photométriques Angle Solide : – Angle en 3D – Unité : steradian (sr) r da da = dL d dL .cos θ r d r = dS dS .cos θ r² – Espace entier : 4 sr, demi espace: 2 sr (rayon r=1, cos =1, dS=sin d d ) π demi espace = 2 2π sin d d = 2. θ= 0 = 0 – Angle solide du soleil ou de la lune vus depuis la terre : 9.4 e-3 sr – Angle solide de l’oeil : 0.5 sr
  15. 15. Définitions Photométriques • Luminance (Radiance): Eclairement par unité d’angle solide • Flux par unité de surface et par angle solide d 2 L d F = d s dS r .cos θ r Surface apparente dS.cos • S’exprime en W.m-2.sr-1.µm-1 dSr r
  16. 16. Luminance équivalente dans une bande spectrale • Soit S( ), la sensibilité spectrale d’une bande spectrale 2 Fintégré = 2 S ( )F ( )d G. 1 S ( )L ( )d 1 • Luminance équivalente dans une bande (W.m-2.sr-1.µm-1 ) • Moyenne pondérée par la sensibilité 2 S ( )L ( )d L eq = 1 2 S ( )d • La mesure d’un détecteur est proportionnelle à la luminance équivalente 1 2 Fintégré = G.L eq . S ( )d 1
  17. 17. Définitions Photométriques Etendue géométrique r r 2 d F L d s dS r . cos s d s r d r Detecteur dSr La quantité d ² G L d s . dS r . cos r Source dSs est appelée étendue géométrique d ²F d ²G Propriété : d ² G d dS r cos s dS s cos r s .dS r . cos r 2 – G de la source vu du récepteur = G du récepteur vu de la source r d r dS s cos s
  18. 18. Bandes spectrales
  19. 19. Sensibilité d’un instrument Calculer l’étendue géométrique de l’instrument : • • • • Champ de vue étroit, Détecteur carré (longueur ar) aligné sur l’axe Ouverture circulaire (diamètre D), Distance Focale f, f cos θ r = cos θ s = 1, r = f • L’étendue géométrique est : G axis = S r .d D 2 optics = a r . 2 H 4 f2 • Le flux sur le détecteur est donc : F = L .G axis = L . D 2 4 f2 2 ar
  20. 20. Sensibilité d’un instrument • instrument à barrette de CCD cos θ r = cos θ s = cos θ G= S r cos θ .S optics .cos θ •Scanner G=? (f /cos θ) 2 1 4 = G axis * cos θ
  21. 21. Sensibilité d’un instrument • instrument à barrette de CCD G= S r cos θ .S optics .cos θ (f /cos θ) 2 4 = G axis * cos θ • pour un instrument dont le champ de vue et 50 degrés : G = G axis cos 4 θ G axis 0 . 17 • il existe des solutions techniques pour compenser cette variations • Mais solutions très coûteuses Lentille SphéroParabolique L’objectif télécentrique de VEGETATION
  22. 22. Encore des définitions… • La luminance est très utilisée car • Proportionnelle à l’énergie mesurée par le détecteur • Ne dépend pas de l’instrument qui observe • Mais : • Ordres de grandeur variables en fonction de la longueur d’onde, à cause de l’éclairement solaire • Ce n’est pas une propriété de la surface. Elle dépend : • Dans l’Infrarouge Thermique – de la température de surface – de l’émissivité • Dans le spectre solaire (Visible, proche et moyen infrarouge) – de l’éclairement solaire – du coefficient de réflexion de la surface (réflectance)
  23. 23. Radiométrie Domaine réflectif solaire
  24. 24. Réflectance • La luminance n’est pas une propriété de la surface – La grandeur recherchée est la proportion de lumière réfléchie par la surface π L – La réflectance est définie par : ρ ( ) = E ( ) cos θs • où : – E est l’éclairement solaire – s est l’angle zénithal solaire – est est un facteur de normalisation tel que » Une réflectance de 1 dans toutes les directions réfléchit toute la lumière cers le ciel. s z r • La réflectance varie rapidement avec les directions d’éclairement et d’observation s x r y,N
  25. 25. Réflectance équivalente • On définit la réflectance équivalente par ρ equiv = L equiv E equiv cos θs • En utilisant : 2 2 S ( )E( )d S ( )L ( )d L eq = E eq = 1 2 ρ( ) = 1 2 1 1 equiv = E( ) cos θs S ( )d S ( )d • On obtient L 2 2 S ( ) ( )d S ( )E( ) ( )d equiv 1 2 S ( )E( )d 1 = 1 2 S ( )d et pas 1 À un facteur près ( /cos s) la mesure du détecteur est proportionnelle à la réflectance équivalente
  26. 26. Radiométrie Infrarouge thermique
  27. 27. Rayonnement Réflechi et Rayonnement Thermique
  28. 28. Emission thermique Tous les matériaux émettent de la lumière. La luminance émise est souvent proche de celle du corps noir. Elle ne peut pas être plus grande. L( ) = e( ) L ( ,T) T. : Température e( ) : Emissivité <1 Lp ( ,T) est la luminance spectrale émise par le corps noir TB : L’émissivité est une propriété intrinsèque du matériau => Fonction de Planck
  29. 29. Emission thermique d’un corps noir • Loi de Rayleigh-Jeans • Explication électromagnétique de l’émission • Contredit par mesures dans l’UV L p λ, T = • « catastrophe ultraviolette » L p λ, T = • Loi de Wien • Loi empirique basée sur mesures • Peu précis dans l’infa-rouge • Loi de Planck • Correction empirique de la loi de Wien • => l’émission est quantique L p λ, T = 2 hc 2 λ 5 hc e kT 1 2 c kT 4 2 hc 2 λ hc e kT 5
  30. 30. Emission thermique d’un corps noir Loi de Planck h = 6.62 10-34 Lp ,T Radiance (W m-2 sr-1 µm-1) k = 1.38 10-23 T temperature in °K 2 hc 2 5 hc e kT 1 Loi de Stefan -Boltzman L p λ, T d = = 5.67 10-8 T 4 0 Loi de déplacement de Wien Wavelength (µm) mT La luminance augmente toujours avec la température, le maximum se déplace vers les courtes longueurs d’onde m ~ 2898 K.micron : longueur d’onde du maximum d’émission
  31. 31. Conservation de la lumière • La lumière parvenant sur une surface est soit • Réfléchie • Absorbée • Transmise • En conséquence : Lr La Lt L incident • En définissant absorptivité et transmittance de la même manière que la réflectance, on obtient : a t 1 • Pour un corps opaque (t=0): a 1
  32. 32. Loi de Kirchhoff • Corps gris : • Pour un corps gris lambertien opaque à l’équilibre thermodynamique • Corps Opaque : un photon est soit absorbé soit réfléchi • =cste a=1 • Sous l’effet du rayonnement, le corps atteint une température d’équilibre • Il émet donc autant de lumière qu’il en reçoit • L’émissivité est égale à l’absorptivité • a et a=1 donc = 1- • Très utilisé, mais attention • tous les corps ne sont pas gris • ne prend pas en compte les transformations d’énergie • activité chlorophyllienne, évaporation, conductivité
  33. 33. Applications dans le thermique • La mer est assez proche d’un corps noir – La température de surface de la mer peut être mesurée précisément – Le plus difficile est de corriger l’influence de l’atmosphère – Et de se mettre d’accord sur la définition de la température de surface Image du Golf Stream par AATSR
  34. 34. Applications dans le thermique Emission thermique • Sur terre, nombreuses applications liées à l’eau • • • • Evapotranspiration => baisse de la température Détection d’irrigation Besoins en eau des cultures => recommandation d’irrigation Bilans de consommation d’eau à l’échelle régionale
  35. 35. Emissivité S u rfa c e T yp e w a te r D ry s o il S o lid ro c k ic e sand E m is s ivity T h e rm a l In fra re d 0 .9 9 0 .9 0 0 .9 0 0 .9 8 0 .9 5 E m is s ivity M ic ro w a ve 0 .3 6 0 .9 4 0 .7 5 0 .9 3 0 .9 2 • Dans l’IR thermique, l’émissivité est peu variable • Quelques minéraux ont des raies d’absorption bien marquées • L’émissivité varie davantage dans le domaine des micro-ondes. Cela peut permettre de différencier des objets : • eau libre-glace • Utilisé par le satellite SMOS pour mesurer • La salinité des océans et l’humidité des sol

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